目前，USB技術(shù)正在不斷地應(yīng)用于更多的市場領(lǐng)域，其中超過1,000種USB設(shè)備已經(jīng)通過了一致性測試。按照PC Data公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在多個電腦設(shè)備中，USB外設(shè)最暢銷。

USB著眼于PC外設(shè)市場，是對PC架構(gòu)進(jìn)行的一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級的擴(kuò)展。USB的主要目標(biāo)包括：
• 使PC外設(shè)的擴(kuò)展易于使用
• 為低成本解決方案，支持的數(shù)據(jù)率高達(dá)480Mb/s
• 完全支持語音、音頻、視頻等實時數(shù)據(jù)
• 在混合模式的同步數(shù)據(jù)傳輸和異步聲訊處理方面，USB協(xié)議具有很大的靈活性
• 可以與日常裝置技術(shù)集成在一起
• 具有各種不同的PC結(jié)構(gòu)和外形
• 提供了一個快速切入產(chǎn)品領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口
• 激發(fā)新型設(shè)備，增強PC的能力
• USB2.0完全后向兼容基于早前各種版本規(guī)范的設(shè)備
• USB2.0描述了低速、全速和高速數(shù)據(jù)率。按照設(shè)計，高速和全速的數(shù)據(jù)類型可能是同步的，而低速數(shù)據(jù)支持較小的數(shù)據(jù)負(fù)荷，一般應(yīng)用于鼠標(biāo)、鍵盤等交互式裝置。

USB采用了一個帶有屏蔽罩的4線系統(tǒng)，這4條線分別為VBUS、D-、D+和接地線。其中，VBUS為設(shè)備供電，通過主機(jī)或HUB驅(qū)動主控電源。USB-IF從USB2.0開始，建立了一個驗證和標(biāo)記程序，說服開發(fā)者以此對其USB設(shè)備進(jìn)行完全測試。在此驗證的基礎(chǔ)上，設(shè)備制造業(yè)者可以使用新的USB商標(biāo)，以標(biāo)識某一設(shè)備已經(jīng)通過，并符合所有對應(yīng)的USB2.0規(guī)范要求。

1. 準(zhǔn)備驗證

目前，USB-IF組織已經(jīng)采用了一個一致性/驗證標(biāo)識程序，要求設(shè)備供應(yīng)商在準(zhǔn)許將“Certified USB High-Speed”標(biāo)志粘貼于其產(chǎn)品之前，首先對這些產(chǎn)品進(jìn)行符合性測試。對于從事高速設(shè)備的USB2.0設(shè)計師們來說，必須保證其設(shè)備滿足USB2.0規(guī)范所包含的所有驗證要求。USB-IF和設(shè)備供應(yīng)商為USB一致性測試實驗室(Plugfests)提供了各種各樣的USB裝置、測試夾具和測試設(shè)備，以幫助設(shè)計師進(jìn)行一致性驗證。

USB-IF也建立了一個獨立驗證資源網(wǎng)絡(luò)，方便設(shè)備開發(fā)者的驗證工作。這些“第三方公司”能幫助設(shè)備開發(fā)者實施驗證，或判斷他們的設(shè)備究竟在哪些方面不符合USB2.0規(guī)范。第三方驗證公司的名單公布于USB-IF網(wǎng)站。

基于產(chǎn)品上市周期方面的考慮，設(shè)備設(shè)計者確實需要使驗證工作越快越好。如果方便的話，季度性的Plugfests不應(yīng)成為影響產(chǎn)品推向市場的瓶頸，尤其是如果某一待測產(chǎn)品在Plugfest驗證期間失敗，而且必需的糾正措施超出了當(dāng)時重新測試能力范圍的情況下。

當(dāng)然，制造商不希望等到下一季度重新對其產(chǎn)品進(jìn)行一致性測試。第三方機(jī)構(gòu)有對失效設(shè)備進(jìn)行驗證測試的責(zé)任。事實證明，重復(fù)進(jìn)行一個周期的提交、失效、修理和再測試的代價是昂貴的。時間就是金錢， 第三方測試實驗室會向客戶的每一個循環(huán)收取費用。

很明顯，解決該問題的方法是要求設(shè)計師盡最大的努力，向第三方機(jī)構(gòu)提交通過驗證的可能性較大的設(shè)備。為了保證能夠通過，意味著設(shè)計師必須在提交產(chǎn)品之前，預(yù)先對產(chǎn)品進(jìn)行測試和驗證。要確保待測設(shè)備順利通過驗證，需要預(yù)先對產(chǎn)品進(jìn)行一致性測試，由于預(yù)先測試執(zhí)行了同一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品通過驗證的信心就處于合理的水平。

USB2.0規(guī)范第7章詳細(xì)地描述了符合USB2.0規(guī)范之設(shè)備的物理層操作特性。由于低速和全速設(shè)備面市時間較早，測試要求容易理解。高速設(shè)備面市時間和驗證時間短，這就是本文討論的焦點。

對于高達(dá)480Mb/s的信號鏈路來說，高速的一致性設(shè)備必須具有良好的傳輸性能，以便與下行和上行設(shè)備配合。為了實現(xiàn)該數(shù)據(jù)率，每一數(shù)據(jù)鏈的每一端均通過一個45歐姆的電阻器與接地端連接，從而形成了一個90歐姆的端接電阻。

為了在更高速模態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)將其內(nèi)部的電流源指向于D+/D-數(shù)據(jù)鏈，分別發(fā)出一個J或 K信號。這些數(shù)據(jù)被編碼成NRZI模式，與低速和全速模式一樣。其中，實際的驅(qū)動電平?jīng)]有負(fù)荷，分別在J 或K狀態(tài)下測量，測得的具體數(shù)值為±400mV±10%。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路處于Squelch模式和非法狀態(tài)的時候，應(yīng)當(dāng)使用差分電壓進(jìn)行檢測。同樣，如果連接器處的信號處于高速狀態(tài)，下行面對的設(shè)備也使用差分電壓進(jìn)行測量，以檢測設(shè)備是否存在斷路現(xiàn)象。

2. 測試與測量

總的來說，USB2.0設(shè)備的一致性測試大體上沿襲了USB1.1設(shè)備的一致性測試協(xié)議，主要增加部分都與USB2.0高速模式有關(guān)。

高速模式為USB設(shè)備的設(shè)計帶來了新的復(fù)雜性。在480Mb/s最大數(shù)據(jù)率所要求的設(shè)計技術(shù)方面，RF工程師可能比數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)計師更加熟悉。值得慶幸的是，USB-IF網(wǎng)站含有演示、白皮書等技術(shù)信息，以引導(dǎo)設(shè)計師熟悉這些新的特性。

需要在設(shè)計時特別注意的方面包括:
• 設(shè)備的包裝
• PCB布線
• 底板接地
• PCB線徑的分布
• EMI糾正
• 數(shù)據(jù)信號的振幅/抖動

USB2.0規(guī)范詳細(xì)地描述了對一致性設(shè)備的物理層要求。該規(guī)范包括Tx和Rx電壓極限、電纜和PCB阻抗、時間延遲、容性負(fù)載、信號發(fā)送、所支持的測試模式、電源分配和功耗、浪涌電流、抖動、邊緣計時和碼率計時。

一般來說，USB一致性測試的主要目的是驗證設(shè)備是否符合:
• USB設(shè)備結(jié)構(gòu)規(guī)則
• 浪涌電流特性
• 上行信號質(zhì)量
• 下行信號質(zhì)量
• 降噪（Squelch）
• 時域反射計
• 電壓下降和電壓跌落
• 其他測試

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)

該部分測試主要評估與低檔USB設(shè)備協(xié)議之間的兼容性。重新安裝并恢復(fù)之后，應(yīng)檢查DUT的安裝和響應(yīng)是否正確。其他設(shè)備檢查項目包括懸空、尋址、遠(yuǎn)程喚醒、動態(tài)連接和移動。USB2.0規(guī)范第9章提供了有關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。

典型的測試裝置包括：一個USB主控系統(tǒng)、自供電HUB、CATC UHT型HUB測試儀、鼠標(biāo)或其它HID。

（2）浪涌電流/電壓下降和電壓跌落特性

為了防止對上行設(shè)備可能造成的損害，必須按照USB2.0規(guī)范第7章的定義，對總線驅(qū)動型USB設(shè)備的浪涌電流進(jìn)行限制。浪涌電流達(dá)到最大時的輪廓必須限制在一定的范圍內(nèi)，使電源的瞬時響應(yīng)不被淹沒。浪涌電流“長釘”狀波形的上升邊緣一定不能超過100mA/ms。下行面對的端口必須能夠吸收邊緣上升幅度不超過100mA/us的500mA“長釘”狀波紋電流，滿足電壓跌落方面的要求，具體參考動態(tài)過程中浪涌電流的有關(guān)定義。同時，設(shè)計師也必須在設(shè)備喚醒時驗證浪涌電流，而不管該設(shè)備是自己復(fù)醒（遙控喚醒）或因為接收到外部信號而恢復(fù)。USB設(shè)備必須對VBUS上的浪涌電流進(jìn)行限制。通過HUB在VBUS端產(chǎn)生的最大電壓降為330mV。

另外，USB設(shè)備必須具有足夠的板上旁路電容值，或者一個受控的電源驅(qū)動程序，這樣不管什幺時候，來自HUB的電流突變就不會超過端口的最大承受力。當(dāng)所有下行端口的電流均為100mA時，在上行端口和下行端口之間，總線驅(qū)動型HUB的Vdrop必須小于100mV。在上行和所有包括電纜在內(nèi)的下行端口之間，帶有靜態(tài)電纜的總線驅(qū)動型HUB的Vdrop必須小于350mV。

SQiDD是一個測試接口板，進(jìn)行MATLAB測試記錄時需要用到，SQiDD接入不同的數(shù)據(jù)線路如(D+&D-)、VBUS，通過板上USB連接器或帶有引線的道爾芯片（dongle）提供接入/連接功能。SQiDD提供了示波器探針和SMA電纜所必須的連接功能。在靜噪測試和接收機(jī)敏感度測試期間，需要通過SMA電纜將數(shù)據(jù)發(fā)生器連接到數(shù)據(jù)線路，以便對設(shè)備進(jìn)行激勵。TDR測量設(shè)備也提供有電纜接入，用作阻抗測量。

浪涌電流測試所需的測試設(shè)備包括USB主控系統(tǒng)、示波器、測試軟件和夾具(Tektronix TDSUSB2)，以及電流探針(Tektronix TCP202)。

（3）上行信號質(zhì)量

USB2.0接口芯片提供有內(nèi)建式測試模式，能夠?qū)ι闲行盘栙|(zhì)量，如發(fā)射信號電平、端點阻抗、上升和下降時間、信號發(fā)送率和抖動等進(jìn)行測量。測試機(jī)架使用Tektronix TDS694C或TDS7404示波器和P6248差分探針，借助SQiDD板從DUT獲得數(shù)據(jù)。示波器用以捕獲各種不同的波形文件，然后通過USB2.0一致性測試軟件（TDSUSB2）進(jìn)行處理。

按照USB規(guī)范要求，數(shù)據(jù)信號電平應(yīng)為400mV±10%，端點阻抗為45Oohm±10%，高速模式的數(shù)據(jù)率為480Mb/s±500ppm，轉(zhuǎn)變時間大于500ps。測試樣本使用眼圖分析數(shù)據(jù)，如抖動、反射，以及Sync和EOP(封包的末尾)場中所有數(shù)據(jù)的振幅。要完成該測試，除了需要上述設(shè)備外，還需要5個自供電HUB，以組成雛菊鏈來激勵完全固定的USB拓?fù)洹?/P>

（4）下行信號質(zhì)量

TDSUSB2測試軟件用來評估下行信號質(zhì)量，主要依據(jù)是計算示波器所獲得的數(shù)據(jù)，如眼圖、交互串?dāng)_(cross over)、EOP、信號率和抖動等。

（5）接收機(jī)敏感度

為了提高吵雜環(huán)境下設(shè)備運行的穩(wěn)健性，當(dāng)信號發(fā)送電平為或高于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時，USB2.0設(shè)備必須通過NAK回應(yīng)IN。接收機(jī)敏感度測試需要一個能夠發(fā)射不同振幅之IN的高速數(shù)據(jù)信號源，如Tektronix DG2040。該測試需要將DUT置于Test_SE0_NAK模式。所發(fā)送信號的振幅被送到DUT，其電平為或高于150mV。在這些電平中，DUT必須以NAK回應(yīng)IN數(shù)據(jù)包，以便處于非靜噪模式。然后，該振幅減小到100mV以下，而且該電平時DUT必須經(jīng)過降噪處理。

（6）時域發(fā)射計

由于USB2.0高速模態(tài)的信號發(fā)送率高，PCB的布線路徑和包裝阻抗已經(jīng)變成了至關(guān)重要的叁數(shù)。目前，USB2.0規(guī)范要求對電纜和設(shè)備的差分阻抗進(jìn)行測量。

按照USB規(guī)范的要求，差分TDR阻抗的步進(jìn)響應(yīng)應(yīng)設(shè)置為400ps。USB規(guī)范參考DUT連接器，對阻抗的極限值進(jìn)行了定義。一般地說，DUT與連接器之間的距離一旦給定，阻抗應(yīng)該在70-110歐姆之間。電纜也應(yīng)該滿足明確規(guī)定的阻抗極限值，這些極限值為90±15%歐姆。Tektronix TDS8000取樣示波器和80E04 取樣頭一起，提供了一個真正的TDR方案，適合USB設(shè)備和電纜阻抗的測量。

（7）其他測試

另外，一些必須進(jìn)行的測試項目包括：所發(fā)射尖波的電平、通常模式的拒絕、懸空/恢復(fù)、斷開的閾值、和microframe間隔。這些測試所需的設(shè)備包括：USB主控系統(tǒng)、TDSUSB2和Tektronix TDS694或TDS7404示波器，以及DG2040 數(shù)據(jù)信號發(fā)生器。

3. 結(jié)論

USB2.0為設(shè)備設(shè)計師提供了一條開發(fā)高性能外設(shè)的方法，達(dá)到了消費者希望易于使用的要求。USB2.0將數(shù)據(jù)傳輸率提高了40倍以上，培育了很多創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計，提高了消費者的滿意度。然而，數(shù)據(jù)率方面的改進(jìn)大多數(shù)是大家所希望的，但是可能也會出現(xiàn)一些料想不到的設(shè)計挑戰(zhàn)，設(shè)備設(shè)計師必須解決這些挑戰(zhàn)。

Tektronix公司能夠提供一整套完整的工具組合——先進(jìn)的示波器、真正的差分TDR、高速數(shù)據(jù)信號發(fā)生器、先進(jìn)的探針和一套完全自動化的一致性測試套裝，使USB2.0設(shè)備設(shè)計師能夠快速、準(zhǔn)確地對他們的設(shè)計方案進(jìn)行電氣一致性及物理層驗證。

如了解有關(guān)USB2.0一致性測試的更詳細(xì)資料，請訪問USB-IF成員網(wǎng)站http://www.usb.org。了解泰克公司，請訪問http://www.tek.com。